悬臂式掘进机在市政大断面软弱围岩隧道施工中的应用

刘 浪

（中铁五局集团路桥工程有限责任公司，广东 广州 511458）

1 工程概况

八鸽岩隧道是贵阳市人民大道北段道路工程的控制性工程，设计长1200m，隧道单向下坡，坡度为4.8%。据勘察资料，隧道围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，围岩抗压强度为28～32MPa，开挖断面Ⅴ级围岩是173m2，Ⅳ级围岩是163m2，曲线最小设计半径为250m。

2 工程设计

该工程隧址区属低中山溶蚀、剥蚀残丘地貌类型，地形起伏较大，地质为单斜构造，岩性一致，三叠系松子坎组泥质白云岩。道路等级：城市主干道，双向6车道，隧道行车道右侧设置人行道；道设计行车速度：50km/h；建筑限界：净宽14.75m，建筑限界高度5m，横断面组成为（0.75+0.5+3.50+3.50×2+0.5+2.5）m；人行道净宽：2.5m，净高：2.5m；设计荷载：公路Ⅰ级；隧道路面横坡设计：隧道内路面采用1.5%的单面坡。隧道支护体系结构均为复合式衬砌，即以锚杆、喷射砼、钢拱架等为初期支护，二次衬砌采用模筑钢筋砼，并在两次衬砌之间敷设土工布及防水板。洞身段围岩主要是Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅴ级围岩段采用CRD法开挖，Ⅳ级围岩段采用环形导坑预留核心土法开挖。原设计拟采用的常规爆破法施工，爆破时容易产生较大的震动及冲击波，对附近的建筑造成损坏，周边复杂环境不具备爆破施工条件。而隧道悬臂掘进机是一种集截割、行走、装运、喷雾灭尘等多功能为一体的高效联合作业机械。工作时，安装在悬臂上的截割头上下左右摆动，能截割任意形状的隧道断面，悬臂掘进机具有机械化程度高、对围岩扰动小、超欠挖容易控制等特点，经反复论证，最终设计调整为悬臂掘进机开挖方式。

3 工程特点

3.1 工程地质复杂，安全风险高

进、出口及下穿黔灵山公园段均为浅埋段（埋深14.9～39m），覆土层为杂填土，软弱土层，厚度不均匀，结构松散，承载力极低，岩体局部会有岩溶、洞隙，岩溶发育程度为微发育，断裂构造发育及风化深度大，开挖后围岩自稳能力弱，对成洞条件影响较大，安全风险高。

3.2 施工组织困难，工期压力大

隧道洞口均位于市区，周边居民密集，商业繁华，交通流量大，拆迁繁杂，洞口管网密布，下关黔灵公园、居民区，征拆周期长，协调截面多，前期施工组织复杂，特别是隧道进口毗邻某高档小区，紧邻某加油站，环境保护要求高，工期压力极大。

4 工程施工

隧道施工开挖是龙头，从安全有保障、质量有保证、工期可靠、成本可控、环保达标的原则出发，通过对传统控爆法、液压破碎锤冷开、悬臂掘进机开挖法3种方案进行比选，采用悬臂式掘进机施工可以加快施工速度。悬臂式掘进机无炮烟污染，无爆破震动，对周边环境影响小，施工人数少，最终选择中铁装备CTR260悬臂掘进机开挖的施工方法。

4.1 施工流程及施工情况

主要施工流程：（1）开挖。采用中铁装备CTR260型掘进机，悬臂式掘进机使用1140V高压供电，在掌子面进行截割，截割下来的碎石物料通过铲板、输机传送到掘进机后部，配备专用挖掘机装入渣土车运出洞外；掘进机对掌子面分左、中、右三部分进行截割，每部分从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级截割以上部分。截割过程中，通过截割部的高压喷雾器进行喷雾降尘处理。（2）支护。对开挖轮廓复测后，立即进行初期支护结构的施工，采用多功能作业台架进行人工作业。多功能作业台架采用I18工字钢焊接制作，其尺寸大小在满足人工进行拱架安装、超前小导管施工、系统锚杆施工等作业内容的需求的同时，还需满足掘进机能顺畅从多功能作业台架下通过的空间要求。初期支护钢架安装、拱架安装、超前小导管施工、系统锚杆施工等作业内容采用人工作业，配备电焊机、YT-28型风钻和钢筋弯曲机等机械设备。喷射砼作业采用砼机械手进行施工；及时进行初期支护及二衬施工，二衬台车由专业厂家制作并好运至现场拼装。（3）通风。通风采用轴流通风机，型号DTF-12.5∅650mm直径胶质风筒；选用24m3/min空压机分别在进出口通过安装在洞壁右侧的110mm直径钢管供喷射砼机械手用风。（4）供电。洞口这是配电房，安装两台800kVA变压器，一台专供掘进机使用，掘进机用电通过升压变压器升至1140V通过专用电缆供电；另外一台80kVA变压器供洞内照明、排水通风等其他施工用电。（5）排水。隧道施工过程中采用抽排相结合的方法，即在一侧开挖排水沟，随着仰拱施工进度分段设置集水坑，采用立轴式抽水泵分级排至洞外沉淀池，经沉淀后排放。（6）测量。开挖前由测量员采用徕卡TS06全站仪放出开挖轮廓线，以控制开挖轮廓尺寸，避免超挖过大；配置激光导向仪在开挖过程中定位，控制超欠挖；悬臂式掘进机截割完成后，进行复测，并将复测情况和详细数据反馈至掘进机操作手和现场技术人员，如有欠挖的，及时进行处理。

施工情况：掘进机作业时，截割作业和出渣作业同时进行，施工效率高，每开挖1m3综合耗电量5.9度。围岩强度≤40MPa时，每开挖1m平均耗时2.3h，平均耗时2.9h，每循环掘进机更换截齿数量为1～3个；围岩强度＞40MPa时，每开挖1m平均耗时10h（每循环耗时包括悬臂掘进机截割开挖、装渣外运及收渣平场时间）。随着围岩强度的增加，截齿的损耗逐渐增大，在围岩强度达到60MPa左右，每循环消耗截齿70～120个，损耗很大。施工从2018年2月25日至2018年11月6日，共计耗时254d，平均掘进速度Ⅴ级为66m/月，Ⅳ级为80m/月。

4.2 施工存在的问题及对策

（1）掘进机性能与地质情况不太适应，效率未能得到充分发挥。掘进机设计对于岩石松软、硬度变化、渗水等未能充分考虑，因此掘进机开挖过程中在截割、行走等方面问题比较突出：一是底板松软受水浸泡后泥化现象严重，掘进机行走十分困难，掘进机机型自身重大，达125t，爬坡能力仅15°，分台阶开挖行走困难，问题突出。针对这一情况，需提前为行走铺好道路。二是掘进机截割范围小，在大断面开挖时需要多次调整机位，耽误开挖时间。三是围岩强度等级适用性较差。当围岩强度大于40MPa时，作业效率大幅降低，对喀斯特地貌中遇到的坚硬围岩处理能力极为有限，如隧道掘进至K0-030左右，围岩强度逐渐增大，掘进效率降低，开挖时间增长，每循环2.4m耗时约为24h。故掘进机在遇到强度较大的围岩时，功效很低。（2）支护时间较长，制约施工进度。局部围岩稳定性不均匀及渗水影响，机械手喷射砼效率低、回弹大、时间长。对此，改进施工工艺，喷射砼采用商砼，优化配合比，从而提高了效率，减少了回弹，增加了可靠性。（3）辅助工序占循环时间过多。CTR260掘进机机身较大（长22.38m，铲板宽3.6m，机身宽3.23m，驾驶室高3.728m，除尘器高3.733m），维保耗时较长，洞内空间有限，自卸车、装载机、挖掘机等协调稍有脱节就严重影响进度。为此，采取了尽可能平行作业、专业维护等措施，但仍对进度有不同程度的影响。

4.3 存在的不足及改进思路

（1）悬臂掘进机的高压喷雾器在实际使用中降尘效果不佳，截割头后部尽管喷雾系统化，但是遇到软弱泥质围岩，加大喷水量则导致围岩变软甚至泥质化，为此需根据地质情况调整除尘方案，优化智能电器系统，通过设计粉尘传感器调整喷雾出水量。（2）悬臂掘进机因设备过热停机保护情况较多，需增加降温系统，同时，通过超前地质预报，结合地质情况优化工序，安排好施工间隙。（3）悬臂掘进机需要的作业空间大，以CTR260型为例，作业长度需50～60m，规范要求仰拱开挖与掌子面的距离，Ⅳ级围岩不得超过50m，Ⅴ级围岩不超过40m；二次衬砌距离掌子面的距离，Ⅳ级围岩不得＞90m，Ⅴ级围岩不得＞70m，对于施工安全步距严格要求的项目并不适用，机型设计在体积、灵活性等方面继续优化将有利于现场生产。（4）隧道单面下坡，坡度4.8%，由于未使用激光定位仪定位，拱部位置易超挖，且由于机械设计原因，拱脚处容易欠挖。在施工过程中收集了原始数据，反馈于中铁装备，希望能通过该工程的实际应用能在设备设计中优化解决这个问题。

5 结束语

悬臂掘进机在该工程的成功应用，针对掘进机性能与地质条件不相适应、设计支护与环境条件不实用等情况采取了一系列措施，优化了支护方式，隧道开挖安全、质量、进度受到参建各方及各级政府的充分肯定，对人民大道的建成通车起到了决定性作用，取得了相当的社会效益。随着城市基础建设的快速全面发展，特别是喀斯特地貌区域城市的市政、地铁、地下综合管廊等地下隧道工程日新月异，保障施工安全，提高工程质量，节约施工时间，降低建设成本，操作便捷高效和利于环境保护成为施工环境的主要因素。该工程悬臂掘进机的成功应用开辟了喀斯特地貌区域市政大断面软弱围岩隧道施工的新天地，克服了传统钻爆法安全环境差、劳动强度高、施工效率低、环境污染大、施工条件局限性大的众多弊端，具有掘进开挖的断面成型较好，超欠挖易控制，对围岩扰动小，施工安全风险小，一次性投入成本低，组装、操作和检修技术要求低等优点，机械设备性能越来越完善，施工技术越来越成熟，应用范围也越来越广泛，施工水平也逐步提高。但是当隧道围岩强度大于40MPa时，悬臂掘进机的施工优势已不明显，开挖作业时间长，效率低，单方耗电量大，且围岩强度越大，截齿损耗越大，开挖成本越高，由于单次作业时间长造成设备过热停机保护的情况也增多，影响了整体开挖作业效率。笔者期望与设备制造单位、设计单位、施工单位共同研讨探究悬臂掘进机施工技术的创新应用，进一步推进悬臂掘进在市政大断面隧道各类围岩施工技术的创新与应用。